автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Исследование эффективности преобразования энергии солнечного излучения в низкопотенциальное тепло в различных климатических условиях

На правах рукописи

КОЛОМИЕЦ ЮЛИЯ ГЕОРГИЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЕ ТЕПЛО В РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

003479632

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

003479692

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН.

Научный руководитель: Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук Попель Олег Сергеевич, кандидат физико-математических наук Киселева Софья Валентиновна.

доктор технических наук, профессор Виссарионов Владимир Иванович;

кандидат физико-математических наук Николаев Владимир Геннадиевич.

Филиал ОАО «Южный инженерный центр энергетики» «Ростовтеплоэлектропроект»

Защита состоится « V » М/)<

2009 г. в

/У

часов на заседании

диссертационного совета Д 002.110.03 при Учреждении Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН по адресу: 125412, Москва, Ижорская ул. 13, стр. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.

Отзывы на автореферат просьба присылать по адресу: 125412, Москва, Ижорская ул. 13, стр. 2, ОИВТ РАН.

Автореферат разослан « ¡3 » О//

2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.110.03 • доктор физико-математических наук

А.Ю. Вараксин

© Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН, 2009

Актуальность проблемы. В условиях постепенного истощения дешевых запасов ископаемого органического топлива и возникающих угроз антропогенного загрязнения окружающей среды всё более значимой задачей становится создание энергоустановок, работающих на возобновляемых источниках энергии.

Среди таких источников энергии солнечное излучение занимает лидирующее положение. Ресурсы солнечной энергии во много раз превышают существующие энергетические потребности стран и регионов, она повсеместно доступна, является высококачественным источником энергии и может быть преобразована в другие полезные виды энергии (электроэнергия, тепло, холод) с достаточно высокой эффективностью. Имеющие место недостатки солнечного излучения как источника энергии (суточная и сезонная нестабильность, низкая плотность энергетического потока и др.) требуют развития научно обоснованных подходов к разработке эффективных конкурентоспособных солнечных установок, оптимизации площади и конструкций приемников солнечного излучения и аккумуляторов энергии.

Россия существенно отстает от многих стран по масштабам использования солнечных энергетических установок, в том числе по количеству солнечных водонагревательных установок (С8У), являющихся наиболее подготовленными к широкому практическому применению. Среди важных научно-технических причин такого отставания можно выделить отсутствие надежной информации о поступлении солнечного излучения на поверхность земли для территории России, адаптированной к потребностям гелиоэнергетики, и отсутствие надежных методик оценки эффективности СБУ, позволяющих потребителям и производителям прогнозировать технико-экономические показатели установок в зависимости от климатических условий места их применения.

Исходя из этого, целью работы является развитие научных основ эффективного использования солнечной энергии для производства тепла, в том числе: построение карт распределения ресурсов солнечной энергии по территории России с учетом потребностей гелиоэнергетики, а также создание методики оценки эффективности работы установок солнечного горячего водоснабжения в различных климатических условиях.

В соответствии с целевым направлением работы основными задачами исследования являются:

1. Проведение анализа и оценка погрешности актинометрической информации существующих источников для территории Российской Федерации.

2. Построение карт распределения ресурсов солнечной энергии на горизонтальную и наклонные поверхности за различные периоды года для территории России.

3. Проведение сравнительного анализа солнечных коллекторов, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, с целью обоснованного выбора «типичных» показателей их теплотехнических характеристик.

4. Разработка обобщенной инженерной методики оценки эффективности СВУ на основе обобщения результатов динамического моделирования работы «типичных» СВУ в широком спектре реальных климатических условий.

5. Сравнительный анализ эффективности работы СВУ с различными типами солнечных коллекторов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые для всей территории России на основе обобщения и анализа погрешности актинометрической информации из существующих источников построены карты поступления солнечной радиации на горизонтальную и наклонные поверхности за различные периоды года и подготовлен Атлас распределения ресурсов солнечной энергии на территории России. При этом обработка массивов актинометрической информации из климатических баз данных проведена с использованием современного картографического аппарата с учетом потребностей гелиотехники.

2. Впервые на основе проведения динамического моделирования работы солнечных водонагревательных установок в широком спектре изменения климатических условий и статистической обработки полученных результатов выявлены универсальные зависимости обобщенных показателей эффективности работы СВУ от удельных средних сумм солнечной радиации и разработана инженерная методика оценки эффективности СВУ в различных климатических условиях.

3. Впервые на основе единого методического подхода выполнен сравнительный анализ эффективности работы СВУ с плоскими и вакуумированными трубчатыми солнечными коллекторами (СК), позволивший объективно оценить целесообразность их применения в СВУ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты сравнительного анализа различных источников актинометрических данных и карты распределения среднедневных поступлений солнечной радиации на горизонтальную и наклонные поверхности за различные периоды года.

2. Инженерная методика расчета эффективности работы солнечных водонагревательных установок в широком спектре реальных климатических условий, разработанная на основе динамического моделирования работы

СБУ при «типичных» значениях характеристик теплотехнического совершенства солнечных коллекторов 3. Результаты сравнительного анализа эффективности применения плоских и вакуумированных трубчатых солнечных коллекторов в солнечных водонагревательнх установках. Практическая значимость работы определяется ее ориентацией на практические задачи освоения наиболее востребованных и конкурентоспособных технологий использования солнечной энергии для горячего водоснабжения. Создание Атласа распределения ресурсов солнечной энергии на территории России является важным результатом, в котором остро нуждаются как разработчики, так и потенциальные пользователи солнечных установок. Атлас также полезен для архитекторов и специалистов в области строительной теплофизики.

Большую практическую значимость имеет инженерная методика оценки эффективности работы СБУ, поскольку обеспечивает потребителей и разработчиков необходимыми исходными данными и достаточно простой для практического использования методикой и аппаратом оценки эффективности использования СБУ.

Выполненный сравнительный анализ эффективности использования плоских и вакуумированных трубчатых солнечных коллекторов для горячего водоснабжения предоставляет потенциальным пользователям СБУ объективную информацию об эффективности практического применения различных типов установок.

Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы» по теме: «Создание технологий и оборудования с использованием возобновляемых источников энергии и их комплексное использование в энергетике, сельском и жилищно-коммунальном хозяйстве» (Государственный контракт с Федеральным агентством по науке и инновациям №41.003.11.2919), а также по теме «Энергоэффективные системы децентрализованного энергоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов и традиционных источников энергии» {Государственный контракт с Роснаукой № 02.447.11.5011), по фантам РФФИ 05-08-01469 «Теоретическое и экспериментальное обоснование создания эффективных устройств для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию из современных теплостойких полимерных материалов», а также по грантам Правительства Москвы 2002, 2003, 2004 и 2005 гг. и в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме «Системный анализ технологий и сфер эффективного энергетического использования возобновляемых источников энергии в регионах России» (Госконтракт №02.516.11.6013).

Работа автора над диссертацией получила также поддержку Фонда содействия молодым учёным в рамках программы «Лучшие аспиранты РАН», за 2006 и 2007 гг.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и полученные результаты докладывались на XX Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Кабардино-Балкария, 2005), IX Международном семинаре «Российские технологии для индустрии. Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения» (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции «Возобновляемая энергетика. Проблемы и перспективы» (Махачкала, 2005), XXI и XXII Международной конференции «Уравнение состояния вещества» (Кабардино-Балкария, Эльбрус, 2006), Международном форуме «Водородные технологии для производства энергии» (Москва, 2006, 2008), Пятой и Шестой Всероссийской научной молодежной школе "Возобновляемые источники энергии" (Москва, 2006, 2008), IV Международной научно-технической конференции «Возобновляемая и малая энергетика - 2007» в рамках 4 Международного форума «Энергетика и экология». Москва, 2007 г., Конференции «Результаты Фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение» (Москва, 2008); Международной конференции «Возобновляемая энергетика. Проблемы и перспективы» (Махачкала, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и приложения; содержит 106 страниц текста, 51 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 97 наименований и 5 приложений на 57 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость работы, формулируются цели и задачи исследования.

В первой главе «СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ АКТИНОМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ; КАРТОГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕСУРСОВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ НА ТЕРРИТОРИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ» на основе проведенного анализа делается вывод о том, что одним из основных на сегодняшний день источников актинометрической информации в нашей стране являются наземные наблюдения метеостанций, обобщенные и представленные в Научно-прикладном справочнике по климату СССР. Однако при площади территории России 17 млн. км2 и существующей сети актинометрических станций (сейчас в России действует около ста станций, оснащенных оборудованием для актинометрических измерений) среднее расстояние между метеостанциями, осуществляющими регулярные измерения солнечной радиации, составляет около 500 км. А с учетом неравномерности плотности их размещения среднее расстояние между станциями в азиатской части России достигает

1000 км. В то же время данные измерений с приемлемой погрешностью могут распространяться на расстояние не более 100-130 км от метеостанции1. Этот факт показывает необходимость поиска дополнительных надежных источников актинометрической информации.

На основе анализа существующих баз климатических данных в качестве такого источника была выбрана база данных NASA SSE, содержащая для всей поверхности земного шара непрерывный ряд осредненных по многолетним спутниковым наблюдениям актинометрических и метеорологических данных с пространственным разрешением 1°х1°2. Ее формирование осуществлялось в рамках широкого международного сотрудничества, включая ученых России.

Сравнение актинометрических данных базы NASA с данными пятидесяти российских метеостанций3 (рис. 1) и более подробное сравнение с результатами многолетних наблюдений метеобсерватории МГУ (рис. 2) показало, что средняя погрешность информации базы данных NASA не превышает 15... 17%. Этой величиной и обусловлен выбор шага изолиний на картах среднедневной солнечной энергии, поступающей на поверхность земли. Для построенных карт он составляет 0,5 кВтч/(м2день).

месяцы

Рис. 1. Сравнение среднемесячных сумм суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность поданным NASA и наземных метеостанций

5 = JI^-JA х 1 оо%

^NASA

1 Пивоварова З.И. Радиационные характеристики вычислений. - Л.:Гидрометеоиздат. 1977. 335 с.

г На экваторе 1 градус соответствует 111,3 км, на широтах 30,50 и 70 градусов - 99.5,71.7, 38.2 км

3 Научно-прикладной справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1990

Созданные в ходе работы карты распределения среднедневных сумм солнечной радиации на горизонтальную и наклонные поверхности для различных периодов года на территории Российской Федерации приведены на рис. 3-5.

Рис. 2. Сравнение данных МО МГУ и NASA SSE

23456789 месяцы

к га

г N т 2 о

X

с о

о

П S

к

S

3 га s

4

600 500 400 300 200 100

sinmrcp

Рис. 3. Суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность (средняя за год дневная сумма солнечной радиации, кВтч/(м2день))

Рис. 4. Суммарная солнечная радиация на оптимально ориентированную поверхность (средняя за год дневная сумма солнечной радиации, кВтч/(м2день))

Рис. 5. Прямая солнечная радиация на следящую за Солнцем поверхность (средняя за год дневная сумма солнечной радиации, кВтч/(м2день))

Анализ построенных карт показывает, что на территории России, часто вне прямой зависимости от широты, имеют место регионы с высокими величинами сумм солнечной радиации. Причем к таким регионам с суммами радиации выше 4 кВтч/(мгдень) относятся как южные районы страны (Краснодарский край,

Ростовская область, юг Восточной Сибири и Дальнего Востока), так и некоторые районы, расположенные в более высоких широтах и даже лежащие за полярным кругом. Для гелиотехники, имеющей дело, как правило, с неподвижными приемниками потока солнечного излучения, устанавливаемыми под оптимальным углом к горизонту, наибольшее практическое значение имеет карта на рис. 4. Видно, что угол наклона коллектора существенно влияет на величину поступающей солнечной радиации: картины распределения сумм солнечной энергии, на оптимально ориентированную в пространстве и горизонтальную поверхности по территории страны, расположенной в широком широтном диапазоне, существенно отличаются.

Создание карты распределения сумм прямой солнечной радиации (см. рис. 5) впервые позволяет качественно и количественно оценить эффективность использования в условиях различных регионов России следящих за Солнцем приемников в гелиоустановках с концентраторами солнечного излучения, использующими только прямую составляющую солнечного потока.

Во второй главе «СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ЗАРУБЕЖНЫХ И ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ; ВЫБОР ИХ ТИПИЧНЫХ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК» дан обзор состояния разработок и практического использования солнечных тепловых установок в мире и в России, приведены данные об основных производителях солнечных коллекторов и СБУ и их технико-экономических показателях.

Суммарная установленная тепловая мощность солнечных установок в мире достигает 150 ГВт, в европейских странах - более 17 ГВт. Эта мощность соответствует площади солнечных коллекторов в мире более 160 млн. м2, в Европе - более 18 млн. м2. Ежегодный объем продаж солнечных установок только в европейских странах в последние годы непрерывно возрастает и превышает 1,5 ГВт/год4 (около 1,8 млн. м2/год).

Мировым лидером по используемой площади солнечных тепловых установок является Китай (80,2%). На страны ЕС приходится 9,5%, в Турции установлено 3,5% всех солнечных коллекторов (рис. 6). По удельному показателю - площадь тепловых солнечных коллекторов на 1000 жителей (рис. 7) - мировыми лидерами являются Израиль (около 750 м2) и Кипр (около 630 м2).

4 EUROPEAN SOLAR THERMAL INDUSTRY FEDERATION

http://www.mani notinfo/RE_GSR_2009_Update.pdf

Рис. 6. Относительное распределение использования солнечных тепловых установок по регионам и странам мира, в процентах (слева)

Рис. 7. Страны-лидеры по используемой площади солнечных коллекторов в расчете на 1000 жителей (справа)

Россия существенно отстает по масштабам использования солнечных установок от многих стран с аналогичными климатическими условиями. Суммарная площадь действующих в различных регионах страны солнечных коллекторов, по оценкам экспертов, не превышает 100 тыс. м2. Наибольшее количество солнечных установок имеется в Краснодарском крае и в Бурятии, где создана необходимая инфраструктура (проектирование - монтаж - обслуживание). В диссертации анализируются причины ограниченного использования солнечных установок в регионах России, формулируются научные задачи, решение которых способствовало бы развитию рынка солнечных установок в стране, включая обеспечение потенциальных разработчиков и пользователей солнечных установок объективной информацией об имеющихся ресурсах солнечной энергии и разработку методик оценки эффективности практического применения СБУ.

Важным результатом проведенного обзора конструкций солнечных коллекторов зарубежных и отечественных производителей стало обоснование выбора значений оптического КПД Ря(та) и обобщенного коэффициента тепловых потерь FrI.Il типичных плоских и вакуумированных трубчатых солнечных коллекторов, использованных далее в работе для адекватного математического моделирования работы солнечных водонагревательных установок.

В приводимых ниже результатах расчетов применялись следующие параметры теплотехнического совершенства солнечных коллекторов, полученные на основе обработки результатов сертификационных испытаний 312 солнечных коллекторов различных производителей, проведенных в одном из ведущих сертификационных европейских центров - Институте солнечных технологий, Швейцария (Institut für Solartechnik, SPF5):

- «типичный» плоский одностекольный солнечный коллектор с селективным оптическим покрытием теплопоглощающей панели: Fr(tíj) = 0,70; FrUl = 3,41-3,84 Вт/(м2К) в зависимости от того, проводились ли эксперименты при отсутствии или при наличии ветра;

- «типичный» вакуумированный трубчатый солнечный коллектор (типа «Mazdon 30 - TMA-600S", выпускаемый компанией Thermomax Ltd): Fr(tci) = 0,76; FrUl = 1,4 Вт/м2К.

В третьей главе «РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ АНАЛИЗА РАБОТЫ СВУ В РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ» представлены результаты компьютерного моделирования работы солнечной водонагревательной установки и созданная на их основе инженерная методика оценки показателей эффективности использования такой установки.

В настоящее время во многих странах мира технологии нагрева воды для

бытовых целей солнечным излучением достаточно хорошо, отработаны и широко

доступны на рынке. Принципиальная схема типичной индивидуальной солнечной

водонагревательной установки представлена на рис. 8.

Рис. 8. Принципиальная схема солнечной водонагревательной установки

1 - солнечный коллектор; 2 - бак-аккумулятор; 3 - вывод горячей воды к потребителю; 4- ввод холодной воды; 5-блок автоматики; 6 - циркуляционный насос; 7 - резервный нагреватель

Для преобразования энергии солнечного излучения в тепло в большинстве случаев используются плоские солнечные коллекторы. Вместе с тем в последние годы на рынок активно продвигаются установки с вакуумированными трубчатыми

5 Institut fur solartechnik SPF /[Электронный ресурс] 2008,- Режим доступа: http://www.solarenerov.ch

солнечными коллекторами. Детальное сопоставление характеристик плоских СК, выполненное в главе 2, показало, что параметры теплотехнического совершенства плоских коллекторов практически достигли предельного уровня и имеют относительно небольшой разброс для разных производителей. С другой стороны, вакуумированные трубчатые солнечные коллекторы находятся в стадии непрерывных усовершенствований. Тем не менее, сравнительный анализ имеющихся данных сертификационных испытаний позволил обоснованно выбрать «типичный» вакуумированный СК с характерными теплотехническими характеристиками для последующего сравнения показателей СБУ с плоскими и вакуумированными СК.

Объектом расчетов в диссертации является «типичная» СБУ с объемом идеально теплоизолированного бака 100 л. Для упрощения предполагается, что отбор нагретой воды из бака осуществляется ежедневно после захода Солнца, и установка ежедневно заправляется новой порцией холодной воды для нагрева. При этих условиях переход к равноэффективной СБУ другой производительности может быть осуществлен с использованием масштабного фактора с учетом того, что площадь СК пропорциональна емкости бака. Распределение температуры воды в баке предполагается равномерным (стратификация отсутствует). Расчеты выполняются для СБУ с принудительной циркуляцией теплоносителя и с постоянным расходом. Как показывает теоретический анализ, интегральная эффективность СБУ практически не зависит от расхода, если он превышает 40-50 л/(м2час)6, поэтому полученные результаты могут быть распространены на установки как с принудительной, так и с естественной циркуляцией (при условии, что конструкция СБУ обеспечивает реализацию таких расходов воды в контуре).

В качестве показателей эффективности СБУ и целевых функций статистической обработки результатов расчета выбраны:

А) доля покрытия нагрузки горячего водоснабжения (ГВС) за счет солнечной энергии f

_ _ ОоЫ _

"о ~О +0 ' (зл)

¡¿/ои/ \isobr г '¡¿РН

где: Овошг - энергия солнечного излучения, затраченная на нагрев воды, 0(0(а/ -энергия, требующаяся для нагрева воды до необходимой потребителю температуры Г. Ома! в общем случае равна сумме О^аг и энергии, подведенной от резервного нагревателя Орн,- При нагревы воды в баке выше контрольной температуры (* только за счет солнечной энергии величина А = 1.

6Дж.А. Даффи, У.А. Бекман. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии.// М.:Мир, 1977, 410 с.

Б) удельное количество дней По(* в каждом месяце, квартале, полугодии и в году, в которые вода в баке-аккумуляторе СБУ нагревается за счет солнечной энергии не ниже контрольных уровней Г.

шах

(3.2)

где Л/шах - количество календарных дней в рассматриваемом периоде времени.

С использованием специально разработанной процедуры проведено динамическое моделирование работы солнечных установок для климатических условий более 1000 пунктов, расположенных в различных регионах мира. В качестве исходной климатической информации использовался так называемый типичный метеогод (ТМУ), рассчитываемый на основе статистической обработки многолетних наблюдений в соответствии с принятой международной методологией. Типичный метеогод включает в себя ежечасную информацию о прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, температуре воздуха и его влажности; скорости и направлении ветра. Использование такой подробной климатической информации позволило впервые выполнить достаточно детальный анализ влияния реальных местных климатических условий на работу солнечных установок. Примеры результатов моделирования СВУ с плоскими солнечными коллекторами, представлены на рис. 9.

о.о

о.о

О 2 4 6 8

8/Ыта1Г кВтч/м день

0 2 4

кВтч/м2день

Я/А/,

таг

таг

Рис. 9а. Результаты моделирования работы Рис. 96. Результаты моделирования типичной СВУ е течение всего года работы типичной СВУ в теплое полугодие С^тах= 365), площадь коллектора 2 мг (Ытах = 183), площадь коллектора 2 м2

Рис. 9в. Результаты моделирования работы Рис. 9г. Корреляция между Ы/Ытах и долей типичной СВУ в летний период (Мтау = 92), покрытия тепловой нагрузки I для

площадь коллектора 2 м2 площади коллектора 2 м2, летний период

Как видно из представленных зависимостей Ы/Мгаах от Э/Ытах (см. рис. 9а - 9в), где Э/Ытах - среднедневная сумма солнечной радиации в рассматриваемый период года, массивы расчетных точек распадаются на характерные группы, соответствующие установленным контрольным значениям температуры. Это позволяет провести их обработку с получением аппроксимационных соотношений, пригодных для проведения инженерных оценок.

Результатом многоступенчатой аппроксимации, являются формулы 3.3-3.5 и набор коэффициентов, которые однозначно позволяют найти указанные выше показатели эффективности работы солнечной водонагревательной установки.

N__1_

^ т ах , , „ПГ ^/А^ -Х^'

1 + ех р

с1х

где Хо- абсцисса точки перегиба (ордината этой точки равна 0,5), дх- постоянная «времени» в функции Больцмана, 5- сумма солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность за рассматриваемый период времени (число календарных дней Л/тах). При этом функция (3.3) удовлетворительно аппроксимирует результаты расчета для всех вариантов при с!х= 1,10±0,02 кВтч/(м2день). Параметр Хо является функцией площади солнечного коллектора Рс:

Р Я"

* 0 = п ' сп , (3.4)

где Р2 = 0,54±0,06 м2

Рх = В (V + Д /) .

(3.5)

Р} зависит от контрольной температуры Г, при этом А? = 3°С, а б = 0,060, 0,067 и 0,070 для СВУ, работающих круглый год, полгода и три месяца, соответственно.

Погрешность аппроксимации оценивается в 15-20%, что является приемлемым для приближенного расчета производительности СВУ. Это позволило положить полученные соотношения в основу упрощенной инженерной методики оценки эффективности работы таких установок.

Аппроксимационные соотношения для f аналогичны вышеприведенным с точностью до значений коэффициентов аппроксимации. В этом случае бх= 1,28+0,02 кВтч/м2день, Р2 = 0,54±0,06 мг, В = 0,032, 0,04 и 0,043 (для СВУ, работающих круглый год, полгода и три месяца, соответственно). Наиболее существенным отличием является зависимость параметра М от периода работы установки. Для рассматриваемых периодов она составляет, соответственно, 11°С, 4 °С и 0 °С. Погрешность аппроксимации также составляет 15...20%.

Для СВУ с вакуумированным солнечным коллектором были сделаны аналогичные численные расчеты и получены аппроксимационные соотношения. Это позволило провести сравнительный анализ эффективности использования плоских и вакуумированных солнечных коллекторов для нагрева воды при их эксплуатации в различных климатических условиях (рис.10).

При сравнении эффективности солнечных водонагревательных установок с разными типами коллекторов наряду с теплотехническими характеристиками в диссертации учитывался принципиально важный конструктивный параметр СК: отношение апертурной площади (определяющей реальное поступление солнечной радиации на тепловослринимающую панель коллектора) к габаритной. Вакуумированные солнечные коллекторы по сравнению с плоскими СК, как правило, имеют меньший оптический кпд (меньшую пропускательную способность прозрачного ограждения - стеклянных труб), но большую тепловую эффективность (меньший коэффициент тепловых потерь за счет исключения конвективных потерь в результате вакуумирования). В то же время при одинаковой габаритной площади (она определяет занимаемую водонагревательными установками площадь и цену установки) апертурная площадь большинства вакуумированных трубчатых СК из-за их конструктивных особенностей оказывается существенно меньше, чем у плоских коллекторов. «Конкуренция» этих трех разнонаправлено действующих факторов, в конечном итоге, сказывается на эффективности СВУ в целом.

На рис. 10 представлены результаты сравнения двух СВУ с «типичными» плоским и вакуумированным трубчатым СК в форме зависимостей описанного выше показателя М/Л/тах от среднегодовой дневной суммы солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность. Массив расчетных точек соответствует различным контрольным температурным уровням нагрева водь/ <* и

географическим пунктам, среди которых выделены Москва, Лондон и Альмерия (Испания) с характерными для них поступлениями солнечной радиации. Сплошные линии - результат аппроксимации расчетных данных при заданных контрольных значениях ¿*дпя вакуумированных СК, пунктирные - для плоских коллекторов.

Рис. 10,а соответствует одинаковой апертурной площади, а рис. 10,6 -одинаковой габаритной площади СК. Для рассмотренного типичного плоского коллектора отличие апертурной площади от габаритной относительно мало (9%), а для ваккумированного трубчатого солнечного коллектора габаритная площадь в 1,24 раза больше апертурной.

Рис. 10,а иллюстрирует в целом ожидаемый факт преимущества вакуумированных трубчатых коллекторов перед плоскими при одинаковой апертурной площади, обусловленного более низким коэффициентом тепловых потерь вакуумированных СК. Для всех рассмотренных географических точек относительное число дней нагрева воды в СБУ выше контрольных температур для вакуумированных трубчатых солнечных коллекторов оказывается большим, чем для плоских СК. Максимальный эффект наблюдается в районах со средним поступлением солнечной радиации (3-5 кВтч/(м2 день))

аакСК - плоек СК

С=37°С

(I Г= 45°С

III Г= 55°С

1.0т-

I

Лондо - Москва

М/Мтах

1.0,—

0.8--

2 4 „

3/!Чтах. кВт ч/м2день

а) 6)

Рис.10. Сравнение показателей СВУ с типичными плоским и вакуумированным СК: а - при одинаковой апертурной площади СК; б - при одинаковой габаритной площади СК

Сравнение же установок с одинаковыми габаритными площадями солнечных коллекторов в большинстве случаев оказывается не в пользу вакуумированных СК. Негативное влияние меньшей величины апертурной площади оказывает большее влияние, чем снижение удельных тепловых потерь.

Аналогичные расчёты были проведены для более высоких контрольных температур нагрева воды вплоть до 90°С. Показано, что вакуумированные трубчатые

СК начинают демонстрировать некоторое преимущество перед плоскими коллекторами при одинаковой габаритной площади лишь при температурах нагрева воды выше 80°С.

Полученные результаты являются практически важными, поскольку предоставляют разработчикам и пользователям СВУ возможность опираться на объективные данные, а не руководствоваться рекламными материалами новых СК.

Большой практический интерес представляет также исследование зависимости эффективности солнечных водонагревательных установок с заданным объемом бака-аккумулятора от площади используемого в таких установках коллектора. На рис. 11 ,а-6 представлены такие зависимости для летнего периода эксплуатации типичной СВУ с плоскими СК и температурой нагрева воды = 37, 55°С соответственно. Параметром для представленных кривых является среднее за день поступление солнечной радиации за рассматриваемый период времени.

Видно, что увеличение площади коллектора не приводит к пропорциональному увеличению эффективности водонагревательной установки, что свидетельствует о существовании оптимального соотношения между площадью СК и объемом бака, которое в зависимости от стоимости компонентов и конкретных климатических условий эксплуатации должно определяться на основании технико-экономических оценок. На основе представленных кривых можно утверждать, что в климатических условиях большинства российских регионов использование площади солнечного коллектора более чем 2 м2 для СВУ с объемом бака 100 л вряд ли целесообразно.

Представляет интерес оценка эффективности летнего использования солнечных водонагревательных установок в различных конкретных географических точках. Для этого на рисунках 11 а, б выделены точки, соответствующие условиям работы типичной СВУ с площадью коллектора 2 м2 в районах Краснодара (5,5-6 кВтч/(м2день)7), Москвы (4,5-5 кВтч/(м2день)) и Салехарда (4-4,5 кВтч/(м2день)), представляющих юг, среднюю полосу и север России.

Показано что в климатических условиях Краснодара рассмотренная СВУ будет нагревать воду не ниже чем до 37°С более 80% летних дней. Та же установка в климатических условиях московского региона позволит получать теплую воду в течение около 70% летних дней, в условиях Салехарда - около 60%. Соответствующие доли покрытия нагрузки горячего водоснабжения, рассчитанные по формулам (З.ЗН3.5), для этих точек составляют соответственно 95%, 90% и 85%. Нагрев воды до температуры не ниже 55°С в Краснодаре - более 50% дней, в Москве - более 30%, в Салехарде - более 20% (соответствующие доли покрытия нагрузки - 85%, 75%, 65%).

7 Суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность (средняя за лето дневная сумма)

г

в)

6)

Рис. 11. Удельное число дней Ы/Ытах (лето) в зависимости от площади солнечного коллектора типичной СБУ (Рс) при различных уровнях поступления солнечной радиации Э (кВтч/(м2день)), температура нагрева воды:

а - Р = 37 °С; б-Г = 55°С

Оценки с использованием предложенной инженерной методики были выполнены и для полугодового и годового периода эксплуатации СВУ, а также для других районов страны. Они показали высокую эффективность работы такой установки при сезонной эксплуатации практически для всей территории страны, а также возможность круглогодичного использования этих установок для южных регионов РФ.

На рис. 12 в картографическом виде представлены результаты расчета эффективности использования типичной индивидуальной солнечной водонагре-вательной установки с плоским солнечным коллектором площадью 2 м2 и объемом бака 100 л для всей территории России.

Рис. 12. Удельное число дней N/Nmall, в которые вода в баке СВУ превышает 37 °С (летние месяцы, площадь солнечного коллектора 2 м2)

Для большей части России ежедневное получение воды с температурой не ниже 37 °С в летнее время возможно с вероятностью более 60%. На юге России и на значительной части Сибири нагрев воды до этой температуры с помощью рассмотренной СВУ возможен в течение 80...90 % летних дней. Лишь на окраинных западных, северо-западных и восточных территориях вероятность ежедневного солнечного нагрева воды в летнее время оказывается ниже 50 %.

Основные выводы по результатам работы:

1. Детально изучены отечественные и зарубежные источники актинеметрической информации для территории России, в том числе базы данных, созданные на основе спутниковых методов наблюдения и математического

моделирования распространения солнечного излучения. Проведена верификация базы данных NASA SSE и обоснована возможность ее использования для создания детальных карт распределения ресурсов солнечной энергии на территории России. Построенные карты, составившие основу Атласа солнечных ресурсов, впервые представляют в картографическом виде информацию о поступлении солнечной энергии на различным образом ориентированные в пространстве неподвижные и следящую за Солнцем поверхности за различные периоды года.

Разработанные карты впервые в удобном виде обобщают информацию, необходимую разработчикам и пользователям солнечных установок для оценки эффективности их практического применения и представляют значительный практический интерес для архитекторов и строительных теплофизиков, занимающихся проблемами создания энергоэффективных зданий с элементами пассивной солнечной архитектуры.

2. На основе сравнительного анализа современных конструкций солнечных коллекторов, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, обоснован выбор типичных значений основных параметров теплотехнического совершенства плоских (оптический к.п.д. коллектора Fr(to) = 0.70; приведенный коэффициент потерь FrUl = 3.41-3.84 Вт/(м2К)) и вакуумированных трубчатых (Fr(to) = 0,76; FrUl =1,4 Вт/м2К) солнечных коллекторов, что дало возможность впервые сформулировать и решить задачу по обоснованному сравнению эффективности использования «типичных» СВУ в российских климатических условиях эксплуатации.

3. Создана инженерная методика оценки эффективности солнечных водонагревательных установок на основе обобщения результатов выполненного динамического моделирование работы «типичных» СВУ в широком спектре реальных климатических условий. Полученные аппроксимационные соотношения позволяют с погрешностью 15-20% оценить производительность СВУ в терминах числа дней, в которые установка сможет нагреть воду в баке-аккумуляторе до контрольной температуры, а также доли покрытия нагрузки горячего водоснабжения.

4. Впервые на основе единого методического подхода выполнен сравнительный анализ эффективности работы СВУ с плоскими и вакуумированными трубчатыми солнечными коллекторами. Показано, что применение вакуумированных солнечных коллекторов в солнечных водонагревательных установках, нагревающих воду для бытовых целей (до 55-60°С), не обеспечивает каких-либо преимуществ перед плоскими солнечными коллекторами. Более того, в большинстве климатических условий по энергетическим соображениям использование плоских СК одинаковой с вакуумированными СК габаритной площади оказывается предпочтительным. Энергетические преимущества использования вакуумированных СК начинают проявляться при температурах нагрева теплоносителя более 80°С, что

обусловлено их существенно более низкими удельными тепловыми потерями по сравнению с плоскими CK.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г. Методика оценки показателей эффективности использования солнечных водонагревательных установок в климатических условиях Российской Федерации. // ИВТ РАН, ЗАО «Современные технологии «Гелион», Из-во МФТИ, 2004, С. 31.

2. Анализ показателей эффективности использования солнечных водонагревательных установок. // Сантехника, отопление, кондиционирование №4, 2004, С. 104-109.

3. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г. Анализ показателей эффективности использования солнечных водонагревательных установок. // Сантехника, отопление, кондиционирование №5, 2004г., С. 28-32.

4. Коломиец Ю.Г., Попель О.С., Фрид С.Е. Разработка Атласа распределения ресурсов энергии солнечного излучения по территории Российской Федерации.// XX Международная конференция «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», Кабардино-Балкария, Эльбрус 1-6 марта 2005, С. 233-234.

5. Сулейманов М.Ж., Ю.Г. Коломиец, И.Н. Прокопченко, О.С. Попель, С.Е. Фрид, В.Н. Щеглов. Разработка, испытание и практическое применение солнечных коллекторов.// 9 международный семинар «Российские технологии для индустрии», Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения, Санкт-Петербург, 2005, С. 7-8.

6. Сулейманов М.Ж., Коломиец Ю.Г., Прокопченко И.В., Попель О.С., Фрид С.Е., Щеглов В.Н. Солнечные коллекторы: сравнение показателей конструкций зарубежных и отечественных производителей и разработка новых технических решений.//Международная конференция «Возобновляемая энергетика. Проблемы и перспективы», Махачкала, 19-22 сентября 2005, С. 337-344.

7. Попель О.С., Фрид С.Е., В.Н. Щеглов, Сулейманов М.Ж., Коломиец Ю.Г., Прокопченко И.Н. Сравнительный анализ показателей конструкций солнечных коллекторов зарубежных и отечественных производителей и разработка новых технических решений. // Теппоэнергетика №3. 2006, С.11 -16.

8. Попель О.С., Коломиец Ю.Г., Мордынский A.B., Фрид С.Е., Сулейманов М.Ж., С.Е. Фрид. Автономные водородные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии. // Международный форум «Водородные технологии для производства энергии». Москва, 6-10 февраля 2006. (на CD).

9. Коломиец Ю.Г., Попель О.С., Фрид С.Е. Сравнение эффективности использования плоских и вакуумированных солнечных коллекторов для нагрева

воды в различных климатических условиях.// Труды Международной конференции «Физика экстремальных состояний - 2006». Эльбрус, 1-6 марта 2006, Черноголовка, ИПХФ РАН. С. 259- 261.

10. Коломиец Ю.Г., Попель О.С., Фрид С.Е.. Сравнение эффективности использования плоских и вакуумированных солнечных коллекторов для нагрева воды.// Материалы пятой всероссийской научной молодёжной школы «Возобновляемые источники энергии». 25-26 октября 2006 года, Москва. С. 38-42.

11. Коломиец Ю.Г., Терехова E.H. Оценка ресурсов энергии России на основе базы данных NASA7/ Материалы пятой всероссийской научной молодёжной школы «Возобновляемые источники энергии». 25-26 октября 2006 года, Москва. С. 42-47.

12. О.С. Попель, С.Е. Фрид, Ю.Г. Коломиец, C.B. Киселева, E.H. Терехова. Распределение ресурсов энергии солнечного излучения по территории РоссииУ/ Энергия: экономика, техника экология №1, 2007. С.15-23.

13. Коломиец Ю.Г., Попель О.С., Фрид С.Е. Исследование эффективности работы систем децентрализованного энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии в климатических условиях Европы.// Сборник Тезисов Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество- 2007». Эльбрус, 1 - 6 марта 2007, Черноголовка, ИПХФ РАН. С. 68- 69.

14. Коломиец Ю.Г., Попель О. С., Фрид С. Е. Солнечные водонагреватель-ные установки на основе плоских и ваккуумированных солнечных коллекторов: Сравнительный анализ.// Сборник тезисов IV Международной научно-технической конференции «Возобновляемая и малая энергетика - 2007» в рамках 4 Международного форума «Энергетика и экология». Москва, 200,. С. 100-102.

15. Попель, С.Е. Фрид, Ю.Г. Коломиец, C.B. Киселева, E.H. Терехова. Оценка ресурсов солнечной энергии территории с использованием дистанционных методов получения данных.// Труды конференции «Результаты Фундаментальных Исследований в области энергетики и их практическое значение». 24-26 марта 2008. Москва. С. 122.

16. Коломиец Ю.Г., Попель О.С., Фрид С.Е., Киселева C.B. Анализ ресурсов солнечной энергии на территории России с использованием спутниковых данных NASA7/ Международная конференция «Возобновляемая энергетика. Проблемы и перспективы», 19-22 сентября 2008г.

17. Коломиец Ю.Г., Попель О.С., Фрид С.Е. Эффективность использования солнечного излучения для нагрева воды на территории Российской Федерации.// Альтернативная энергетика и экология №6, Научно-технический центр TATA 2009, С.6-23.

Юлия Георгиввна Коломиец

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЕ ТЕПЛО В РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ

УСЛОВИЯХ

Автореферат

Подписано в печать 21.09.2009 Формат 60x84/16 Печать офсетная Уч.- изд. л. 1,5 Усл.-печ.л. 1,39 Тираж 150 экз._ Заказ№ 130_Бесплатно

ОИВТ РАН. 125412, Москва, ул. Ижорская, д.13, стр.2

Введение

Глава 1. Современные методы получения и обработки' актинометрической информации; картографическое представление ресурсов солнечной энергии на территории РоссийскойФедерации

1.1. Базы данных как источники актинометрической^ информации для проектирования солнечных установок 15:

1.2. База'климатологических данных NASA: методы получения и представления данных 21«

1.3. Методы1 расчета плотности потока падающей солнечной* радиации на горизонтальную ижаклонную поверхность, выбор регионов, сходных по климатическим условиям

1.4. Сравнение актинометрических данных NASA с данными наземных измерений* 32' 1.5: Картографическая обработка'актинометрической информации базы данных NASA для территории России 38 1.6. Анализ картографического материала 41 Выводы по Главе 1

Глава 2. Сравнительный анализ солнечных коллекторов зарубежных^ отечественных производителей; выбор их типичных теплотехнических характеристик

2.1. Развитие рынка солнечных установок для нагрева воды В'мире и России

2.2. Солнечный коллекторы: сравнение технических w стоимостных показателей конструкций зарубежных и отечественных производителей 53 Выводы по Главе

Глава 3. Разработка инженерной методики оценки эффективности солнечных водонагревательных установок и ее использование для анализа работы СВУ в различных климатических^условиях

3.1. Типичная индивидуальная установка

3.2. Выбор параметров солнечного коллектора

3.3. Показатели эффективности работы СВУ

3.4. Моделирование работы солнечной водонагревательной установки

3.4.1. Описание системы моделирования ТРМЭУЭ

3.4.2. Расчетная схема

3.4.3. Методика моделирования СВУ

3.5. Результаты моделирования СВУ

3.6. Обобщение результатов моделирования.

Инженерная методика

3.7 Исследование эффективности работы СВУ с вакуумированным солнечным коллектором

3.8 Сравнение эффективности использования плоских и вакуумированных солнечных коллею-оров для нагрева воды

3.9 Анализ эффективности использования СВУ в различных климатических условиях Российской федерации

Выводы по главе

Выводы

Актуальность проблемы. Е^условиях постепенного истощения* дешевых запасов ископаемого органического топлива' [Безруких. П.П. Ресурсы и эффективность., 2002] и возникающих; угроз* все большего антропогенного загрязнения окружающей среды всё более: значимой задачей становится» создание, энергоустановок работающих на возобновляемых источниках энергии;

Среди таких источников энергии солнечное излучение занимает лидирующее положение. Ресурсы солнечной энергии во много раз- превышают существующие энергетические потребности, она повсеместно доступна, является высококачественным источником энергии^и,может быть преобразована в другие полезные виды энергии (электроэнергия, тепло, холод) с достаточно^ высоким КПД, Имеющие место недостатки^ солнечного излучения как источника энергии* (суточная и, сезонная нестабильность, низкая плотность энергетического, потока и др.) требуют развития научно обоснованных подходов при разработке эффективных конкурентоспособных^ солнечных установок, оптимизации^ площади и конструкций приемников солнечного излучения и аккумуляторов энергии.

Как известно, Россия.занимает одно из ведущих мест в мире по-запасам органического топлива, вместе с тем- на- 70% территории страны отсутствует централизированное теплоснабжение [Безруких ПЛ., Сокольский А.П., Харитонов В.П., 2003]. По масштабам использования солнечных энергетических установок, в том числе по количеству солнечных водонагревательных установок (СВУ), являющихся наиболее подготовленными к широкому, практическому применению, РФ существенно отстает от многих стран. Среди важных научно-технических причин такого отставания можно выделить отсутствие надежной информации о поступление солнечного излучения на поверхность земли для территории! России, адаптированной к потребностям гелиоэнергетики, и отсутствие надежных методик оценки эффективности СВУ; позволяющих потребителям Иг производителям СВУ в удобноми доступном для них' виде прогнозировать технико-экономические, показатели установок в зависимости,от климатических условий'места их применения.

Исходя из этого, целью работы является развитие научных основ эффективного использования^ солнечной^ энергии для' производства тепла, в* том числе: построение карт> распределения* ресурсов» солнечной энергии по территории* России с учетом, потребностей- гелиоэнергетики, а также создание методики оценки эффективности работы установок солнечного горячего, водоснабжения вфазличных климатических условиях.

В соответствии с целевым^ направлением работы основными задачами исследования являются:

1. Проведение анализа и> оценка погрешности актинометрической: информации существующих источников для^ территории Российской Федерации.

2. Построение карр распределения ресурсов солнечной.энергии на^ горизонтальную и наклонные* поверхности*за> различные периоды года' для территории России.

3. Проведение сравнительного анализа солнечных коллекторов, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями; с целью обоснованного4 выбора^ «типичных» показателей их теплотехнических характеристик.

4. Разработка обобщенной* инженерной методики, оценки эффективности СВУ на основе обобщения результатов динамического1 моделирования работы «типичных» СВУ в широком спектре реальных климатических условий.

5. Сравнительный анализ^ эффективности работы СВУ с, различными,типами солнечных коллекторов.

Научная.новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые; дляí всей территории? России? на^ основе обобщения и анализа погрешности» актинометрической информации из существующих источников построены карты поступления солнечной! радиации? на^ горизонтальную и* наклонные5 поверхности за различные: периоды года и? подготовлен Атлас: распределения, ресурсов солнечной*' энергии на? территории* России;. При$ этом& обработкам массивов актинометрической информации из климатических баз данных проведена с использованием современного картографического аппарата с учетом потребностей гелиотехники.

2: Впервые на основе проведения динамического моделирования; работы солнечных водонагревательных установок в широком спектре изменения климатических условий и статистической) обработки полученных результатов выявлены универсальные зависимости! обобщенных показателей эффективности работы* СВУ от удельных средних сумм солнечной радиации и разработана инженерная методика оценки эффективности СВУ в различных климатических условиях.

3. Впервые на основе единого методического подхода выполнен сравнительный анализ эффективности работы СВУ с плоскими и вакуумированными трубчатыми солнечными коллекторами (СК), позволивший объективно оценить целесообразность их применения в СВУ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты сравнительного анализа* различных источников актинометрических данных и карты? распределения? среднедневных поступлений солнечной^ радиации на горизонтальную и наклонные поверхности за различные периоды года.

2) Инженерная методика расчета эффективности? работы солнечных водонагревательных установок в- широком- спектре реальных, климатических» условий, разработанная на основе динамического моделирования работы СВУ при, «типичных»; значениях характеристик теплотехнического* совершенства солнечных коллекторов.

3. Результаты;сравнительного анализа.эффективности применения плоских.и вакуумированных трубчатых-солнечных коллекторовгв солнечных водонагревательнх установках.

Практическая значимость^ работы определяется ее ориентацией* на практические задачи освоения- наиболее* востребованных, и, конкурентоспособных технологий использования солнечной энергии» для, горячего водоснабжения. Создание Атласа распределения ресурсов солнечной энергии, на территории^ России^ является, важным результатом» в^ котором, остро, нуждаются^ каю разработчики, так. и, потенциальные, пользователи^ солнечных установок. Атлас также полезен для архитекторов? и специалистов в области, строительнойтеплофизики.

Большую практическую)значимость имеет инженерная методика оценки, эффективности» работы* СВУ; поскольку обеспечивает потребителей и разработчиков необходимыми- исходными, данными? и достаточное простой для. практического использования методикой и, аппаратом оценшэффективности использования СВУ.

Выполненный' сравнительный анализ эффективности, использования плоских, и вакуумированных трубчатых солнечных коллекторов, для горячего- водоснабжения' предоставляет потенциальным пользователям СВУ объективную, информацию об эффективности практического применения различных типов установок.

Работа!выполнялась в рамках Федеральной^целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям^ развития* науки и техники» на 2002-2006 годы» по теме: «Создание-технологий и оборудования с использованием^ возобновляемых источников, энергии^ и их, комплексное использование В1 энергетике* сельском и? жилищно-коммунальном хозяйстве» (Государственный 7 контракт. с~ Федеральным агентством4 по науке) т инновациями №41.003.11.2919), а также по* теме: «Энергоэффективные системы? децентрализованного энергоснабжения; на основе комбинированного использования возобновляемых ресурсов нетрадиционных,источников? энергии» (Государственный контракт с Роснаукой № 02.447.11.5011), по гранту/ РФФИ! 05-08-01469 «Теоретическое и экспериментальное? обоснованием создания эффективных) устройств для преобразования) энергии» солнечного излучения в тепловую» энергию из современных теплостойких полимерных материалов», а также по грантам Правительства Москвы 2002, 2003, 2004 и 2005 гг. и в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития» научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по теме «Системный анализ технологий и сфер эффективного энергетическогоиспользования возобновляемых) источников энергии в регионах России» (ПЪсконтракт №02.516.11.6013).

Работа автора над диссертацией получила также поддержку Фонда содействия молодым учёным в рамках программы «Лучшие аспиранты РАН» за 2006 и 2007 гг.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и полученные результаты докладывались на XX Международной конференции: «Воздействие интенсивных потоков энергии? нашещество»; (Кабардино-Балкария; 2005); IX Международном семинаре «Российские технологии для индустрии; Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения» (Санкт-Петербург, 2005), Международной конференции «Возобновляемая? энергетика: Проблемы и перспективы» (Махачкала, 2005), XXI и XXII Международной конференции «Уравнение состояния вещества» (Кабардино-Балкария, Эльбрус, 2006), Международном форуме «Водородные технологии для производства энергии» (Москва; 2006; 2008); Пятой: и Шестой Всероссийской научной молодежной школе "Возобновляемые источники энергии" (Москва; 2006, 2008), IV Международной' научно-технической конференции 8

Возобновляемая и малая* энергетика - 2007» в; рамках; 4 Международного форума «Энергетика и экология». Москва, 2007 г., Конференции-«Результаты Фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение» (Москва, 2008); Международной конференции «Возобновляемая энергетика. Проблемы, и перспективы»-(Махачкала, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и приложения; содержит 110 страниц текста; 51 рисунков, 13 таблиц, список литературы из,97 наименований.

Основные выводы по результатам работы:

1. Детально изучены отечественные и зарубежные источники актинометрической информации для территории России, в том числе базы данных, созданные на основе спутниковых методов наблюдения и математического моделирования распространения солнечного излучения. Проведена верификация базы данных NASA SSE и обоснована возможность ее использования для создания детальных карт распределения ресурсов солнечной энергии на территории России. Построенные карты, составившие основу Атласа солнечных ресурсов, впервые представляют в картографическом виде информацию о поступлении солнечной энергии на различным образом ориентированные в пространстве неподвижные и следящую за Солнцем поверхности за различные периоды года.

Разработанные карты впервые в удобном виде обобщают информацию, необходимую разработчикам и пользователям солнечных установок для оценки эффективности их практического применения и представляют значительный практический интерес для архитекторов и строительных теплофизиков, занимающихся проблемами создания энергоэффективных зданий с элементами пассивной солнечной архитектуры.

2. На основе сравнительного анализа современных конструкций солнечных коллекторов, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, обоснован выбор типичных значений основных параметров теплотехнического совершенства плоских (оптический к.п.д. коллектора Fr(tci) = 0.70; приведенный коэффициент потерь FrUl = 3.41-3.84 Вт/(м2К)) и вакуумированных трубчатых (Fr(tci) = 0,76; FrUl = 1,4 Вт/м2К) солнечных коллекторов, что дало возможность впервые сформулировать и решить задачу по обоснованному сравнению эффективности использования «типичных» СВУ в российских климатических условиях эксплуатации.

3. Создана инженерная методика оценки эффективности солнечных водонагревательных установок на основе обобщения

104 результатов выполненного динамического моделирование работы «типичных» СВУ в широком спектре реальных климатических условий. Полученные аппроксимационные соотношения позволяют с погрешностью 15-20% оценить производительность СВУ в терминах числа дней, в которые установка сможет нагреть воду в баке-аккумуляторе до контрольной температуры, а также доли покрытия нагрузки горячего водоснабжения.

4. Впервые на основе единого методического подхода выполнен сравнительный анализ эффективности работы СВУ с плоскими и вакуумированными трубчатыми солнечными коллекторами. Показано, что применение вакуумированных солнечных коллекторов в солнечных водонагревательных установках, нагревающих воду для бытовых целей (до 55-60°С), не обеспечивает каких-либо преимуществ перед плоскими солнечными коллекторами. Более того, в большинстве климатических условий по энергетическим соображениям использование плоских СК одинаковой с вакуумированными СК габаритной площади оказывается предпочтительным. Энергетические преимущества использования вакуумированных СК начинают проявляться при температурах нагрева теплоносителя более 80°С, что обусловлено их существенно более низкими удельными тепловыми потерями по сравнению с плоскими СК.

105

1. Безруких П.П., Стребков Д.С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. // М.: ГНУ ВИЭСХ РАСХН, 2005. 264 е.

2. Атлас энергетических ресурсов СССР. Т.1, Ч.З. Гидроэнергетические, ветроэнергетические,гелиоэнергетические ресурсы.//1935.

3. Борисенко М.М., Стадник В.В. Атласы ветрового и солнечного климатов России.// СПб.: Изд-во ГГО им.А.И.Воейкова, 1997. Пивоварова З.И. Радиационные характеристики вычислений.// Л.: Гидрометеоиздат. 1977. 335 с.

4. Стадник В.В. Статистические характеристики суточных сумм суммарной радиации. //Труды ГГО. 1983. Вып. 475. С. 61-68. RETScreen International. Renewable energy decision support center. // 2007. http:// www.retscreen.net

5. The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set // 2007. http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/.

6. Научно-прикладной справочник по климату СССР.// Л.: Гидрометеоиздат, 1990

7. Справочник по климату СССР. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. // Л.: Гидрометеоиздат, 1967.

8. Smith, G. L., Wilber А. С., Gupta S. К., Stackhouse P. W. Surface Radiation Budget and Climate Classification. // Applied Optics. 2002. V. 15. PP. 1175-1188106

9. Pinker, R. T., Laszlo I. Modeling Surface Solar Irradiance for Satellite Application on a Global Scale. // Journal of Applied Meteorology. 1992/ V. 31. PP. 194-211.

10. Коломиец Ю.Г., Терехова E.H. Оценка ресурсов энергии России на основе базы данных NASA.//Материалы пятой всероссийской научной молодёжной школы «Возобновляемые источники энергии». 25-26 октября 2006 года, Москва. С. 42-47.

11. О.С. Попель, С.Е. Фрид, Ю.Г. Коломиец, C.B. Киселева, E.H. Терехова. Распределение ресурсов энергии солнечного излучения по территории России./' Энергия: экономика, техника экология №1, 2007. С. 15-23

12. Попель, С.Е. Фрид, Ю.Г. Коломиец, C.B. Киселева, E.H.i

13. Летопись погоды, климата и экологии Москвы (по наблюдениям Метеорологической обсерватории МГУ). /А Вып.1 2000 г. М.: Изд-во географического ф-та МГУ. 2002.

14. Бутузов B.A. Солнечное теплоснабжение в России: Состояние дел и региональные особенности.//Альтернативная энергетика и экология №6, Научно-технический центр1. TATA 2009, С.48 51

15. Безруких П.П. Возобновляемая энергетика:сегодня реальность, завтра-необходимость.// М.: Лесная страна, 2007, 120с

16. Бутузов В.А., Шетов В.Х. Гелеотехнические установки в России// Альтернативная энергетика и экология № 10, 2007. С. 37-41

17. Тарнижевский Б.В. Солнечные коллекторы нового поколения // Теплоэнергетика. 1997. №4

18. Аналитический обзор динамики цен на энергоносители.// Электронный ресурс./ 2009,- Режим доступа mcx.ru108

19. Оливер Шафер. EREC. Механизмы поддержки возобновляемых источников энергии.// Инф. бюлл. «Возобновляемая энергия», август 2005 г., СС. 4-7.

20. Стратегия 2003 "Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2020" (Минэнерго РФ), Электронный ресурс./ 2008,- Режим доступа:http://www. mte.gov. ru/docs/32/103. html

21. B.Е.Фортов, А.А.Макаров Приоритеты энергетической стратегии России// Перспективы энергетики, 2003, том 7, СС. 113-125

22. А. Е. Копылов Государственная система поддержки использования возобновляемых источников энергии в России/ Лекции ведущих специалистов, прчитанные на VI всероссийской научной молодежной школе, // Москва, 2008, СС. 47-59

23. Институт солнечных технологий/ Institut fur solartechnik SPF, Швейцария, Электронный ресурс./ 2009,- Режим доступа: http://www.solarenerqy.ch

24. Попель О.С, Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г. Анализ показателей эффективности использования солнечных водонагревательных установок. // Сантехника, отопление, кондиционирование №4, 2004 г., С. 104-109.

25. Попель О.С, Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г. Анализ показателей эффективности использования солнечных водонагревательных установок. // Сантехника, отопление, кондиционирование №5, 2004г., С. 28-32.

26. Попель О.С., Фрид С.Е. Солнечные водонагревательные установки в климатических условиях России // Энергия: экономика, техника, экология. 2002. №12. С. 26-35.

27. Попель О.С., Фрид С.Е., Шпильрайн Э.Э. Обобщенные показатели типичной индивидуальной солнечной водонагревательной установки в климатических условиях различных регионов России // Теплоэнергетика. 2003. №1. С. 1218

28. Klein S.A. A method of simulation of solar processes and its application//Solar energy. 1975 №1 PP.29-33 Klein S.A. Calculation of flat-plat collector utilizability// Solar energy. 1978 №6. PP.393-402

29. Klein S.A., Beckman W.A. A general desine method for closef loopsolar energy systems// Solar energy. 1979. Vol. 22 №14. PP 269-282 TRNSYS The Transient System Simulation Program // http://sel.me.wisc.edu/ TRNSYS/.